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嘉峪檢測網(wǎng) 2024-11-08 09:21
摘 要
因設(shè)計自由度高、無需模具和快速制造等優(yōu)點(diǎn)，連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印已成為當(dāng)今最具創(chuàng)新性的先進(jìn)復(fù)合材料成型技術(shù)之一。本文綜述了連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印復(fù)合材料工藝缺陷及失效行為的最新研究進(jìn)展，引入了“干/濕/干濕-混合”的概念對打印工藝進(jìn)行了系統(tǒng)性分類闡述，重點(diǎn)介紹了由于工藝過程引入的三種缺陷及其特點(diǎn)。隨后，歸納了連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印復(fù)合材料的失效力學(xué)行為，并分析了引發(fā)失效的主要原因。最后，針對如何減少工藝缺陷、改善失效模式和降本增效對連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印技術(shù)的未來進(jìn)行了展望。
連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料[1]具有比強(qiáng)度和比剛度高、抗疲勞性能好、耐腐蝕和全壽命周期成本低[2]等特點(diǎn)，已經(jīng)在以航空航天、汽車、高鐵和大型船舶為代表的先進(jìn)交通行業(yè)[3-4]獲得了廣泛的應(yīng)用，并且正在進(jìn)一步拓展到太陽能光伏、風(fēng)力發(fā)電和體育休閑等民用領(lǐng)域[5-6]。然而，傳統(tǒng)的連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料成型技術(shù)，例如手糊成型[7]、模壓成型[8]和真空樹脂傳遞模塑成型[9]，都因?yàn)楦叨纫蕾囉谀＞邔?dǎo)致成本高、生產(chǎn)節(jié)拍慢和改型周期長，從而難以適應(yīng)當(dāng)今工業(yè)產(chǎn)品快速迭代以提高市場競爭力的需求。
3D打印技術(shù)[10]，又被稱為增材制造[11]，通過噴頭的運(yùn)動和材料逐層沉積在平臺上形成零件。區(qū)別于車、銑、刨和磨等傳統(tǒng)的減材加工工藝，3D打印的成型過程幾乎不產(chǎn)生廢料，因此具有材料利用率高的顯著優(yōu)點(diǎn)，近年來在醫(yī)學(xué)、機(jī)械、電子電器等行業(yè)應(yīng)用日漸增長[12]。聚合物基復(fù)合材料3D打印也在融沉積建模、選擇性激光燒結(jié)、墨水直寫和立體光刻等工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來[13]。并且，隨著顆粒(片層石墨、石墨烯和碳納米管等)、短切纖維和連續(xù)纖維等增強(qiáng)體的加入，3D打印的聚合物基復(fù)合材料不僅在力學(xué)方面得到增強(qiáng)，也獲得了導(dǎo)電和導(dǎo)熱等功能增強(qiáng)[14]。添加顆粒和短切纖維的3D打印大多數(shù)能沿用原聚合物的工藝過程而無需對打印平臺和噴頭組件進(jìn)行改進(jìn)，因而較早得到應(yīng)用。然而，由于增強(qiáng)體的添加量有限和非連續(xù)增強(qiáng)體無法高效傳遞應(yīng)力等問題，無法在對結(jié)構(gòu)輕量化有著高要求的工業(yè)場景獲得有效應(yīng)用[15]。而連續(xù)纖維的引入使得3D打印構(gòu)件的力學(xué)性能獲得了幾倍甚至幾十倍的提升，在力學(xué)性能上更具優(yōu)勢[13-14]。
在傳統(tǒng)復(fù)合材料成型中，占據(jù)工時最長的過程是將裁剪好形狀的織物或預(yù)浸料通過逐層手工鋪覆在模具上，然后通過輥壓排出氣泡并固定位置[16]。此過程也可以看做一個“材料沉積”的增材制造過程，與3D打印技術(shù)具有基本原理上的聯(lián)系性。但是，手工鋪覆不僅限制了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，而且容易受到“人”的因素影響從而降低一致性。而3D打印技術(shù)具有高度的自動化和可編程的特點(diǎn)，將其應(yīng)用于連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制造過程，能夠顯著起到降本增效的作用。當(dāng)前，連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印技術(shù)已成為最具創(chuàng)新性和最受工業(yè)界和學(xué)術(shù)界矚目的先進(jìn)復(fù)合材料成型技術(shù)之一。
自2014年首個關(guān)于連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的專利[17]發(fā)布以來，隨著自研改造的3D打印機(jī)[18-19]和一些商業(yè)化公司[20-21]的興起，連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印技術(shù)不斷發(fā)展。因此，迫切需要一種可以囊括連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印復(fù)合材料先驅(qū)工藝技術(shù)和新興成型方法的系統(tǒng)性分類。另外，連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印復(fù)合材料的力學(xué)性能明顯低于傳統(tǒng)工藝制造的復(fù)合材料仍然是當(dāng)前學(xué)界和工業(yè)界的普遍共識[22]。另一方面，與其他增材制造方式相比，連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印由于受到纖維路徑的制約，靈活的排布方式設(shè)計較為困難。主要仍以二維平面內(nèi)的自由路徑設(shè)計為主，在復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)制造上不具備優(yōu)勢[18-21]。孔隙、弱界面和內(nèi)部材料不均勻等成型工藝缺陷也制約著連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印技術(shù)的發(fā)展[22]。國內(nèi)外已有大量的學(xué)者針對此問題進(jìn)行了研究，致力于通過厘清連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的3D打印工藝原理，改進(jìn)成型工藝技術(shù)，減少工藝缺陷，厘清失效行為，從而提高連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印復(fù)合材料的力學(xué)性能，拓寬應(yīng)用場景。
如圖1所示，本文分3個層次綜述了連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印復(fù)合材料工藝缺陷及失效行為的最新研究進(jìn)展：(1)在工藝層引入了“干/濕/干濕-混合”概念對連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印工藝進(jìn)行分類和系統(tǒng)性闡述；(2)在缺陷層：對三類典型工藝缺陷的成因和微觀形貌進(jìn)行了闡述；(3)在失效層：對失效行為進(jìn)行了分析和討論。最后，針對如何減少工藝缺陷、提升力學(xué)性能和降本增效對連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印技術(shù)的未來進(jìn)行了展望。
圖1
1.連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印復(fù)合材料的制備工藝
1.1 打印工藝分類
通過提升自動化水平以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品一致性，一直是先進(jìn)復(fù)合材料工藝技術(shù)發(fā)展的重要方向。纖維纏繞工藝是這一發(fā)展方向的典型代表，近年來在壓力容器領(lǐng)域已經(jīng)取得了大規(guī)模批量化應(yīng)用[23]。纖維纏繞工藝又分為濕法纏繞工藝[24]和干法纏繞工藝[25]。濕法纏繞工藝[26]是指在作業(yè)現(xiàn)場直接在纖維束干紗線上涂刷液體樹脂或?qū)⒓喚€浸入液體槽后拉出，再按照所設(shè)定路徑纏繞到芯模上，后續(xù)經(jīng)過加熱固化、脫模和后處理等過程最終獲得復(fù)合材料制品的過程。干法纏繞工藝[22]與濕法工藝的不同是已經(jīng)提前在浸膠機(jī)上把纖維浸膠先制成預(yù)浸絲束，然后利用纏繞機(jī)纏繞成型。簡而言之，工藝過程中需要現(xiàn)場添加樹脂的為濕法，樹脂提前預(yù)浸入纖維束中的為干法。
連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印技術(shù)作為最年輕的先進(jìn)復(fù)合材料工藝技術(shù)之一，經(jīng)過近十年的蓬勃發(fā)展，不斷演化和細(xì)化，通過采用不同的纖維、樹脂、固化方式和機(jī)械平臺已經(jīng)演化出許多分支[26-31]。當(dāng)前，需要系統(tǒng)化地對這些分支工藝進(jìn)行分類和闡述。本文提出，將纖維纏繞工藝的“干-濕”法的概念引入，并用來進(jìn)行連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印技術(shù)的分類，即：使用干纖維束作為增強(qiáng)體，在打印機(jī)內(nèi)完成浸膠的，定義為濕法打印工藝；使用預(yù)浸絲束作為增強(qiáng)體，僅利用打印機(jī)進(jìn)行形狀沉積的，定義為干法打印工藝；使用預(yù)浸絲束作為增強(qiáng)體，使用打印機(jī)進(jìn)行二次浸膠和形狀沉積的，定義為干-濕混合法打印工藝。根據(jù)“干-濕”法的概念分類的連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印復(fù)合材料的制備工藝匯總?cè)绫?所示。
表1
1.2 濕法打印工藝
熔融沉積成型(Fused deposition modelling，F(xiàn)DM)[32]，又被稱為熔融線材制造(Fused filament fabrication，F(xiàn)FF)[33]，由于其設(shè)備構(gòu)造簡單、成本低廉、材料沉積速度快、材料適配性廣等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地用于各種需要快速成型的工業(yè)化場景[34]。首個被發(fā)展起來的連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的3D打印工藝就是在FDM工藝的基礎(chǔ)上提出的原位浸漬熔融沉積工藝[35-36]。基于熱塑性樹脂的連續(xù)纖維濕法3D打印的工藝原理如圖2(a)所示，在打印程序的控制下，連續(xù)纖維干紗線和熱塑性樹脂基體長絲被以指定比例送入熱盒中，在其中完成熔融浸漬過程，最終由噴嘴擠出并沉積在打印平臺上。除此之外，熱塑樹脂顆粒也可以作為耗材用于原位浸漬熔融沉積工藝，圖2(b)所示，熱塑樹脂顆粒通過螺桿機(jī)構(gòu)熔融擠出并進(jìn)入熱盒中[37-38]。
圖2
由于原位浸漬熔融沉積工藝使用了干纖維束作為增強(qiáng)體，并且是在打印機(jī)內(nèi)完成浸膠的，因此為典型的濕法打印工藝。使用此工藝進(jìn)行連續(xù)纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)多樣性的探索研究大量涌現(xiàn)，包括了仿生結(jié)構(gòu)[34, 39]、蜂窩[40]、波紋板[41]、三明治板[42]、晶格結(jié)構(gòu)[21, 43]和桁架結(jié)構(gòu)[44]等。
如表1所示，在增強(qiáng)體的選擇上，所有能被加工成小絲束的連續(xù)纖維都可作為濕法打印工藝的原料，比如碳纖維(Carbon fiber，CF)[45]、玻璃纖維[46]、芳綸纖維[47]和玄武巖纖維[48]等高性能纖維，以及亞麻[49]和菠蘿葉[50]等天然纖維[51]。熱塑性樹脂基體的選擇也很廣泛，包括聚醚醚酮(Polyetheretherketone，PEEK)[52]、聚苯硫醚(Polyphenylene sulfide，PPS)[53]、聚酰胺(Polyamides，PA)[54]、聚丙烯(Polypropylene，PP)[55]、聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)[56]和聚乳酸(Polylactic acid，PLA)[57]等工程塑料。另外，帶有非連續(xù)增強(qiáng)體的熱塑性樹脂[58-59]也可用作連續(xù)纖維增強(qiáng)濕法3D打印的耗材。
近年來，除了基于熱塑性樹脂擠出的3D打印方法，基于熱固性樹脂的3D打印工藝—液態(tài)沉積成型技術(shù)[60](Liquid deposition modeling，LDM)也已經(jīng)衍生出來。國內(nèi)外的研究者也發(fā)展了利用熱固性樹脂濕法打印連續(xù)纖維復(fù)合材料的工藝技術(shù)[61-63]。基于熱固性樹脂的連續(xù)纖維濕法3D打印的工藝原理圖如圖2(c)所示，連續(xù)纖維干紗線被送入打印機(jī)后，首先經(jīng)過樹脂液體槽并完成浸漬過程，隨后經(jīng)過噴頭加熱并固化沉積在打印平臺上。應(yīng)當(dāng)指出的是，盡管經(jīng)過噴頭時加熱過程使得一部分環(huán)氧樹脂交聯(lián)，但是由于加熱時間較短，固化反應(yīng)并不完全。因此，熱固性樹脂濕法3D打印通常都需要將沉積好的零件移至熱壓罐或烘箱內(nèi)進(jìn)行二次固化[61-63]。
直接墨水書寫 (Direct ink writing，DIW) [64]是一種能在介觀和微觀尺度上制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)和高精度的立體結(jié)構(gòu)的新型3D打印方法。近兩年，基于DIW的濕法連續(xù)纖維打印工藝[65-66]也被發(fā)展起來。其工藝原理圖如圖2(d)所示，在打印過程中，可以使用丙烯酸酯墨水[65]在打印機(jī)頭內(nèi)浸漬連續(xù)纖維，然后擠出到打印機(jī)床上，在紫外線照射下固化并沉積成為零件。液晶彈性體[66]是一種分子鏈取向可編程的材料，也可以作為此連續(xù)纖維增強(qiáng)直接墨水書寫工藝的墨水，連續(xù)纖維可以在打印過程中支撐獨(dú)立結(jié)構(gòu)，提高打印結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。
1.3 干法打印工藝
雖然連續(xù)纖維增強(qiáng)的濕法3D打印工藝首先被發(fā)展起來，但是由于存在較多的孔隙、纖維含量較低(＜30%)和產(chǎn)品一致性較差等問題，力學(xué)性能顯著低于傳統(tǒng)工藝制造的連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料[21, 26]。因此，許多國內(nèi)外研究者傾向于通過將預(yù)浸工序與3D打印過程分離來提高預(yù)浸絲束中的纖維體積含量、降低孔隙率和提高打印制品的一致性水平[67-74]。當(dāng)前，連續(xù)纖維增強(qiáng)的干法3D打印工藝是高性能復(fù)合材料制造的重要發(fā)展方向。
預(yù)浸絲束的制備是連續(xù)纖維增強(qiáng)干法3D打印工藝的基礎(chǔ)。熱塑性[67-71]、熱固性[72]和光固化[73-74]樹脂都可用于制備預(yù)浸絲束。當(dāng)前的連續(xù)纖維增強(qiáng)的干法3D打印工藝可分為兩種，材料擠出熔融沉積[72, 75-76]和激光輔助固結(jié)[77-78]。這兩種工藝的區(qū)別主要是熱源和壓力源不同。如圖3(a)所示，在打印程序的控制下，特定長度的預(yù)浸絲束被送入熱盒中，熔融并激活基體樹脂的黏性，然后穿過噴頭并受到噴頭施加壓力，冷卻后沉積到平臺上。此種熱激活的干法打印工藝稱為材料擠出熔融沉積。熱塑性樹脂增強(qiáng)的預(yù)浸絲束，如連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的尼龍線材，通過熱激活的干法3D打印工藝熔融并且冷卻后粘附與打印平臺上，可用于制造高承載拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[75]。熱固化樹脂增強(qiáng)的預(yù)浸絲束，也可通過噴頭加熱的干法3D打印工藝激發(fā)粘溫特性[72, 76]，來提供打印過程中所需的粘合和支撐。
激光輔助固結(jié)[77-78]是另一種典型的連續(xù)纖維增強(qiáng)的干法3D打印工藝。其工藝的原理如圖3(b)所示，預(yù)浸絲束穿過噴頭后，在激光作用下熔融并受到輥壓，冷卻后粘附于打印平臺或前一層上。激光輔助固結(jié)連續(xù)纖維增強(qiáng)干法3D打印工藝所制造的樣件，與采用連續(xù)纖維增強(qiáng)的傳統(tǒng)復(fù)合材料制造方法相比，具有相似的拉伸強(qiáng)度和稍低的模量[77]。此工藝可以在原位固結(jié)預(yù)浸絲束，沿著可編程軌跡連續(xù)沉積高纖維體積分?jǐn)?shù)(>50%)材料，且無需使用模具或犧牲層[78]。
圖3
1.4 干濕混合法打印工藝
另外，濕法3D工藝的打印機(jī)，大多數(shù)都能兼容使用預(yù)浸絲束作為連續(xù)線材，因此也衍生出了干濕混合3D打印工藝。當(dāng)前，連續(xù)纖維增強(qiáng)干濕混合3D打印工藝主要分為兩種：預(yù)浸絲束共擠出[21, 79-81]和紫外光輔助固結(jié)[74]。
預(yù)浸絲束共擠出的工藝原理如圖4(a)所示，預(yù)浸絲束和基體材料長絲同時送入打印機(jī)頭中，經(jīng)過熱盒的加熱，由噴嘴一起擠出[79]。一般來說，這種工藝下使用的預(yù)浸料絲束中的基體需要與共擠聚合物中的基體相同[80]。這種工藝在保證先進(jìn)增材制造靈活性的前提下，通過提高樹脂對纖維束的浸潤性來提高機(jī)械強(qiáng)度，增強(qiáng)了連續(xù)纖維復(fù)合材料的性能[81]。隨著技術(shù)的發(fā)展，熱固性浸漬預(yù)浸料和熱塑性基體的組合也可以被用來打印連續(xù)纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，包括了網(wǎng)格結(jié)構(gòu)[21]、拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)[82]和小型無人機(jī)部件[83]。
如圖4(b)所示，紫外光輔助固結(jié)[74, 84]工藝的打印機(jī)頭通常預(yù)存一定數(shù)量的樹脂，而連續(xù)纖維絲束通過通道送入打印機(jī)頭中。通過泵體加壓，材料被共擠出到打印平臺上，通過紫外光輔助固結(jié)沉積成工件。也有自研打印機(jī)可以將液體樹脂通過側(cè)向通道輸入打印機(jī)頭中[74]。另外，光-熱雙固化樹脂體系，如結(jié)合了丙烯酸類光固化樹脂和低溫(140℃)熱固化樹脂結(jié)合的體系[84]，也同樣適用于紫外光輔助固結(jié)工藝。
圖4
2.連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印復(fù)合材料的工藝缺陷研究進(jìn)展
連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印工藝成型過程普遍存在時間短和噴頭施加的壓力有限的問題。因此，樹脂黏性大和空氣難以排出形成的孔隙，以及纖維浸漬性差的問題特別突出[17]。該工藝過程中產(chǎn)生的缺陷，是制約其力學(xué)性能和影響其失效模式的重要因素[85]。傳統(tǒng)的連續(xù)纖維復(fù)合材料制造工藝經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)基本完成了工業(yè)化和規(guī)模化，合格產(chǎn)品允許的孔隙率通常在1%以下，某些高端產(chǎn)品甚至要求孔隙率能夠控制在0.02%左右[26]。反觀當(dāng)前的連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印復(fù)合材料制品，將孔隙率控制在5%以下仍比較困難。研究表明，使用熱塑性樹脂濕法打印的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)尼龍6復(fù)合材料的孔隙含量甚至大于10%[86]。因此，厘清當(dāng)前連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印復(fù)合材料存在的工藝缺陷對指導(dǎo)該工藝的技術(shù)進(jìn)步和提升力學(xué)性能有重要意義。
如圖5所示，當(dāng)前，國內(nèi)外研究者重點(diǎn)關(guān)注的續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印復(fù)合材料的存在的工藝缺陷可根據(jù)發(fā)生的位置分為：層間孔隙、列間孔隙和纖維束缺陷。
圖5
2.1 層間孔隙
如圖6(a)中的SEM圖像所示，層間孔隙[86]由分布在當(dāng)前沉積層與已固結(jié)零件之間的微小孔隙局部連通而成。層間孔隙主要是由于3D打印工藝的噴嘴施加壓力和時間有限而在產(chǎn)生的，并且導(dǎo)致了層與層之間存在不充分粘結(jié)的弱界面[87]。如圖6(b)中所示，在不同纖維體積含量(22vol%~44vol%)的3D打印連續(xù)碳纖維增強(qiáng)PLA復(fù)合材料中，都可以觀察到層間孔隙[88]。層間孔隙的分布方向與厚度方向(即3D打印的堆棧方向)垂直。顯微 CT也是另一種可以較為清楚地觀察到孔隙分布的典型方法。悉尼大學(xué)的研究者通過此種方法統(tǒng)計了3D打印連續(xù)碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料的1 960多個截面，結(jié)果表明：孔隙率從10.3%到14.3%不等，平均為12.2%±0.9%，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)工藝制造的復(fù)合材料層合板的孔隙率[86]。如圖6(c)中所示，密集而微小的孔隙分布在層與層之間，并局部連通形成互相平行的條帶，割裂了結(jié)構(gòu)的整體性。另外，連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印技術(shù)通常被期望利用其自由度制造更復(fù)雜的立體結(jié)構(gòu)。如圖6(d)中所示，使用此技術(shù)制造的編織多層復(fù)合材料中，橫截面的顯微CT照片顯示沿層間平面形成顯著的孔隙，結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性加劇了層間孔隙這種工藝缺陷的產(chǎn)生[89]。
圖6
2.2 列間孔隙
在連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印的工藝過程中，樹脂被擠出的同時，噴頭仍然在移動和擠壓樹脂。剛擠出的樹脂仍然有一定的流動性，也隨著擠壓表現(xiàn)出橫向的流動，同時也在逐漸冷卻或是在光或熱的作用下逐漸固結(jié)。隨后，當(dāng)前列的樹脂與之前沉積樹脂接觸并在邊緣相互融合，但由于邊緣附近樹脂的流動性降低，角落部分無法被未完全填充，因此形成了有規(guī)律的列間孔隙[92-95]。圖7(a)中展示了T300-1 K碳纖維增強(qiáng)的ABS復(fù)合材料零件的橫截面的特殊結(jié)構(gòu)和界面特征[92]。該截面中存在3個不同尺度的界面，即有規(guī)律地分布在整個橫截面上的介觀尺度界面、各填充線之間的納米尺度界面以及纖維與基體之間的微米尺度界面。介觀尺度界面表現(xiàn)為規(guī)則的孔道結(jié)構(gòu)，即典型的列間孔隙。
相鄰兩列之間樹脂的合并過程原理如圖7(c)所示。如想獲得高強(qiáng)度的3D打印零件，需要相鄰兩列樹脂內(nèi)部的聚合物鏈之間在分子水平上形成良好的鍵合，以實(shí)現(xiàn)有效的載荷傳遞[93]。當(dāng)相鄰兩列樹脂剛發(fā)生接觸時，由于高分子有通過最小化表面積而達(dá)到較低的總能量狀態(tài)的趨勢，它們之間的熱量分布會導(dǎo)致頸部的形成。然而，該過程受到樹脂粘度的抑制，同時樹脂的粘度隨著溫度降低而增加。因此，一方面，頸部在生長的同時相鄰兩列之間高分子長鏈互相擴(kuò)散；另一方面，樹脂的冷卻和粘度增加抑制頸部的形成和高分子長鏈擴(kuò)散的過程。最終表現(xiàn)為，樹脂完全凝固之前沒有足夠的時間讓相鄰兩列完全合并，即相鄰兩列之間的高分子長鏈無法完全均勻混合，而形成列間孔隙。
圖7(a)中展示了兩種的堆疊方式(矩形堆疊和傾斜堆疊)形成的不同列間孔隙形貌，即菱形或三角形的列間孔隙[93]。對比圖6和圖7，可以看出列間孔隙的尺寸顯著大于層間孔隙的，因此列間孔隙對3D打印零件的強(qiáng)度和剛度有很大的影響。研究表明，可以通過使用不同的填充圖案來增加各列之間的接觸面積并最大限度地減少列間孔隙[93]。使用MarkForged連續(xù)纖維3D打印機(jī)制造彎曲測試樣本拍攝的，包含零件厚度方向多個堆疊層的橫截面顯微照片如圖7(d)所示[93]。在每一層中都可以看到不同的尼龍、纖維和孔隙區(qū)域，其中分布在打印軌跡線各列的孔隙尤其明顯，某些列間孔隙甚至面積相當(dāng)于纖維絲束面積的1/3。列間孔隙的存在是造成該樣本總體孔隙率大于7%的主要原因。在如圖7(e)所示的3D打印連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)尼龍的樣品的顯微照片中也可以觀察到類似的明顯列間孔隙，其總體孔隙率高達(dá)17%[94]。圖7(a)中展示了一個多列樣本的橫截面，可以看到列間孔隙的分布具有規(guī)律性，且各列間隙之間的距離與打印程序設(shè)置中的軌跡線寬度相同[95]。
圖7
2.3 纖維束缺陷
連續(xù)纖維3D打印工藝，尤其是濕法工藝，纖維通過噴嘴的時間通常只有幾秒到幾十秒。由于該過程的時間和壓力有限，一方面樹脂無法充分浸潤纖維，容易在纖維束內(nèi)部形成包裹的氣泡[87, 91, 93]；另一方面，纖維束與樹脂基體之間的界面也存在孔隙和不良結(jié)合，因此形成弱界面[84, 89, 93-94]。除了孔隙之外，不均勻的樹脂和纖維分布也是工藝缺陷的一種[86-87, 93]。這幾類缺陷可以統(tǒng)稱為纖維束缺陷[86, 91, 96-97]。
圖8(a)展示了3D打印連續(xù)碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料中同一個絲束在不同放大倍數(shù)下的SEM圖像[86]。由于樹脂粘度較大，短時間內(nèi)無法充滿和包裹纖維束內(nèi)的每一根單絲。空氣被包裹并壓縮，聚集在單絲的周邊，并局部貫連形成不規(guī)則孔隙。該樣本的纖維體積分?jǐn)?shù)測得為34%，根據(jù)橫截面顯微鏡圖像估計孔隙含量高于5%。
圖8
另外，如圖8(a)、8(b)和8(e)所示，不同學(xué)者拍攝的纖維束橫截面顯微圖像都表明，即使是在纖維束內(nèi)部，也存在明顯的富樹脂區(qū)域和纖維聚集區(qū)[86-87, 93]。纖維在基體相中分布不均勻，也會導(dǎo)致性能不均勻。尤其是樹脂區(qū)域，這些區(qū)域會作為失效起始點(diǎn)而降低結(jié)構(gòu)的性能。
由于孔隙和不良結(jié)合形成的弱界面廣泛地存在于連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印復(fù)合材料中[87, 96-97]。圖8(d)展示了亞麻纖維通過3D打印分布在尼龍中的橫截面，其中的亞麻纖維單絲直徑顯著大于碳纖維[93]。隨著纖維束內(nèi)的單絲尺寸的增加，纖維束邊界上的缺陷也加劇了，孔隙與微裂紋的存在是限制亞麻等連續(xù)植物纖維增強(qiáng)3D打印復(fù)合材料力學(xué)性能進(jìn)一步提升的一大因素。圖8(e)和圖8(g)從兩個不同方向展示了碳纖維和PLA樹脂基體之間的界面[92, 97]。纖維束邊界上的部分纖維明顯是與基體分離的，表明這些纖維與基體之間的界面粘合力較弱。通過將預(yù)浸工序與3D打印過程分離可以有效減少纖維束缺陷[67-73]，因此使用預(yù)浸絲束的連續(xù)纖維增強(qiáng)的干法或干濕混和法3D打印工藝更有利于提高力學(xué)性能。
3.連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印復(fù)合材料的失效行為研究進(jìn)展
3.1 纖維拔出
纖維拔出[92, 98-100]是一種連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印復(fù)合材料在承受與纖維方向平行的拉伸載荷時發(fā)生的一種典型的失效力學(xué)行為。界面性能和斷裂模式的演變?nèi)鐖D9(a)所示，復(fù)合材料的界面性能是決定連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印復(fù)合材料失效力學(xué)行為的最重要因素[98]。此界面的性能主要由成型壓力決定，受工藝參數(shù)影響。成型壓力小，會導(dǎo)致界面性能弱，從而發(fā)生劇烈的纖維拔出。當(dāng)成形壓力適中時，則具有適中的界面性能，會產(chǎn)生有限的纖維脫粘和滑移，以吸收斷裂能并防止裂紋擴(kuò)展，從而提高力學(xué)性能。當(dāng)成形壓力過高時，會建立強(qiáng)界面，導(dǎo)致脆性斷裂和裂紋快速擴(kuò)展，反而降低力學(xué)性能。
圖9
圖9(b)展示了纖維拔出的損傷演化過程和失效機(jī)制[99]。一開始，裂紋是由纖維和基體之間界面的分層引發(fā)的。隨著載荷的增加，裂紋不斷擴(kuò)展，直至纖維被拉出。圖9(c)展示了拉伸試樣的宏觀斷裂過程。首先，熱塑性基體在拉伸載荷的作用下斷裂，纖維在試樣斷裂時從基體中拉出[92]。接下來，纖維與包裹它們的熱塑性樹脂分離，并被逐漸拔出。圖9(d)中的光學(xué)顯微圖像表明PLA基體的斷裂形貌是平行且水平的，邊緣發(fā)白且斷口沒有明顯的頸縮現(xiàn)象，這表明基體的破壞模式是脆性斷裂[99]。至于碳纖維，它們被拉出時幾乎沒有任何樹脂殘留物。由此可見，弱界面是纖維拔出損傷的主要原因。圖9(d)中的SEM圖像以更微觀的視角展示了纖維拔出情況[100]。纖維束中單絲的斷口也是呈現(xiàn)齊平的，說明脆性斷裂也是纖維主要是破壞形式。基體中殘留著纖維被拔出形成的孔洞，已斷裂的纖維單絲上也幾乎沒有樹脂殘留。
纖維束缺陷和其導(dǎo)致的弱界面是產(chǎn)生纖維拔出破壞的主要原因[101]。圖10(a)展示了纖維束周邊與基體之間因不良浸潤導(dǎo)致的微孔隙和弱界面。裂紋從這些位置起始，并最終導(dǎo)致了纖維拔出破壞。凡是以快速方式實(shí)現(xiàn)干纖維絲束與熱塑性基體的完全浸漬的問題可以通過聚合物熔體的流變特性和多孔介質(zhì)中的流體行為來解釋。用于模擬液體聚合物通過多孔增強(qiáng)纖維灌注的普遍理論是達(dá)西定律 [102-104]，其主要參數(shù)如圖10(b)所示，包括壓力梯度，浸潤距離和樹脂流速[102]。由于連續(xù)纖維3D打印過程中浸潤時間短，成型壓力小，完全浸潤通常難以達(dá)成。因而形成纖維束缺陷。
圖10
如圖10(c)展示了織物增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料連續(xù)制造中的宏觀和微觀浸漬現(xiàn)象[103]，可作為連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料3D打印的參考。紗線間的宏觀孔隙和紗線內(nèi)部纖維的細(xì)小間隙形成的微孔的雙尺度孔隙結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致在連續(xù)制造中出現(xiàn)宏觀和微觀浸漬的現(xiàn)象。樹脂首先快速填充紗線外部的所有空間，然后才經(jīng)過徑向滲透到紗線區(qū)域的中心。宏觀和微觀的兩級浸漬現(xiàn)象也是形成纖維束缺陷和其導(dǎo)致的弱界面的原因[103]。
改善纖維拔出失效行為的主要方式有對纖維進(jìn)行預(yù)浸[104]、采用干法打印[105]、提高成型壓力[98]和采用上漿劑對纖維進(jìn)行預(yù)處理[106]等。圖10(c)中對比了濕法和干法連續(xù)纖維3D打印的單束紗線的破壞斷口，可以看到完全預(yù)浸后濕法打印的樣本斷口齊平且沒有明顯的纖維拔出現(xiàn)象[105]。
3.2 分層
連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印復(fù)合材料中存在層間孔隙、列間孔隙和纖維束缺陷等工藝缺陷，且在構(gòu)件中有規(guī)律地周期性分布從而形成弱界面。如圖11(a)所示，裂紋易于在這些區(qū)域產(chǎn)生并沿著弱界面擴(kuò)展，形成分層損傷[107]。對于3D打印連續(xù)碳纖維增強(qiáng)PEEK[107]的研究表明，分層損傷存在兩種擴(kuò)展方式：(1)沿著層間孔隙的方向擴(kuò)展，同時穿過列間孔隙；(2)沿著纖維束與基體結(jié)合的弱界面擴(kuò)展，并貫通各個纖維束。
圖11(b)展示了彎曲載荷下3D打印連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的失效模式和宏觀形貌，分層損傷伴隨著剪切帶和局部屈曲一同出現(xiàn)[95]。圖11(c)對比了拉伸載荷下3D打印的連續(xù)碳纖維和玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的失效模式[95]。兩種材料的樣品在拉伸載荷下都表現(xiàn)出嚴(yán)重的分層，并且還伴有同一層中兩個相鄰纖維絲束之間的脫粘。纖維束之間的分層和脫粘表明層與層之間存在弱界面。斷口的SEM圖像顯示，雖然分層損傷首先發(fā)生，仍然存在拉伸導(dǎo)致的纖維斷裂和少量的纖維拔出。如圖11(d)所示，分層損傷主要由連續(xù)纖維3D打印工藝過程帶來的缺陷導(dǎo)致，對于不同纖維(碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維)增強(qiáng)的復(fù)合材料，這種分層失效廣泛存在[108]。
圖11
除了材料的強(qiáng)度和剛度外，層間力學(xué)性能，尤其是I型和II型層間斷裂韌性也是確定裂紋萌生和擴(kuò)展的重要指標(biāo)，在評估結(jié)構(gòu)的失效方面發(fā)揮著重要作用。如圖12(a)~12(c)所示，國內(nèi)外研究者們采用了雙懸臂梁(Double-cantilever beam，DCB)[109-112]、端部缺口彎曲(End notched flexure， ENF)[109]和層間剪切強(qiáng)度(Interlaminar shear strength，ILSS)[113]試驗(yàn)對連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印復(fù)合材料進(jìn)行了層間力學(xué)性能的表征。
圖12
DCB試驗(yàn)表明，連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印復(fù)合材料的I型斷裂韌性達(dá)到(1.12±0.09) kJ·m−2，約為熱壓工藝制造的連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性材料斷裂韌性的一般，但仍顯著高于環(huán)氧基復(fù)合材料[109]。纖維橋聯(lián)現(xiàn)象在DCB試驗(yàn)中在多個研究中被觀察到[109-112]。圖12(d)中展示了測試過程中拍攝的數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(Digital image correlation，DIC)圖像，在裂紋張開后發(fā)現(xiàn)了纖維橋接的現(xiàn)象[109]。如圖12(e)所示，通過SEM 可以觀察到剝離表面有許多由于纖維橋梁被拉出，截面斷裂的纖維絲，且纖維絲表面仍殘留一定數(shù)量的基體[109]。纖維橋接長度和穩(wěn)態(tài)斷裂韌性受到層間性能顯著影響，由于工藝缺陷的存在，連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印復(fù)合材料的試樣通常表現(xiàn)出不穩(wěn)定的裂紋擴(kuò)展[110-112]。
ENF試驗(yàn)表明，連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印復(fù)合材料的II型斷裂韌性為(0.486±0.05) kJ·m−2，明顯低于熱塑性復(fù)合材料甚至環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料[109]。圖12(f)通過SEM觀察了ENF實(shí)驗(yàn)后的斷裂表面，圖中帶箭頭的黃色虛線代表基體被剪切的方向[109]。基體沿著箭頭方向被拉長，表面僅有少量被剪切的基體絲，未觀察到纖維斷裂。這也表明界面熔合質(zhì)量較差，界面抗剪能力較弱。
如圖12(g)所示，在ILSS試驗(yàn)中通過DIC拍攝到了分層損傷的演化過程[113]。垂直應(yīng)變分量顯示出一些具有正垂直應(yīng)變的局部應(yīng)變點(diǎn)。這些局部應(yīng)變位點(diǎn)是層之間出現(xiàn)開口和層間損傷形成的位置。隨著局部應(yīng)變增大，垂直應(yīng)變顯示了損傷傳播過程。
綜上所述，連續(xù)纖維3D打印工藝過程引起層間孔隙、列間孔隙和纖維束缺陷等工藝缺陷導(dǎo)致了其層間力學(xué)性能，尤其是II型斷裂韌性，相較于熱壓工藝制造的熱塑復(fù)合材料顯著下降。界面抗剪切能力弱是導(dǎo)致連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印復(fù)合材料分層失效頻繁發(fā)生的主要原因。
為改善分層失效行為，一方面可以從減少工藝缺陷入手，包括改進(jìn)噴頭以增大成型壓力[114]、采用真空打印[90]和采用激光等輔助聚熱方式[77]等；另一方面，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)和路徑使得改變?nèi)毕莺腿踅缑娴姆植挤绞揭宰柚沽鸭y快速擴(kuò)展，也是一種可行設(shè)計思路[115]。使用芳基態(tài)聚醚酮形式增韌的打印基體，也被證明可以通過調(diào)節(jié)基體的溶解狀態(tài)減少層間孔隙和利用多尺度協(xié)同效應(yīng)提高抗分層性能[96]。
3.3 彎曲開裂
另一種連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印復(fù)合材料的典型失效行為是彎曲開裂[95, 99]，其裂紋的產(chǎn)生和演化過程原理如圖13(a)所示。
圖13
首先，樹脂的局部表面因拉伸破壞而產(chǎn)生損傷，微裂紋在表層的樹脂處產(chǎn)生。隨后，裂紋擴(kuò)展并穿過樹脂區(qū)域深入纖維區(qū)域，造成纖維的實(shí)質(zhì)性損傷。如裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，則會貫穿結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其彎曲開裂失效[99]。圖13(b)則從微觀角度更細(xì)致地展示了彎曲開裂的發(fā)展過程和斷口形貌[99]。該過程總共分為4個階段。在第一階段，損傷從表面的樹脂開始，這時微小的白色條紋出現(xiàn)。隨后，白色條紋進(jìn)一步演變?yōu)殚_放的基體裂紋，表明已經(jīng)開始進(jìn)入第二階段。隨著載荷的增加，裂紋不斷擴(kuò)展，彎曲開裂進(jìn)入第三階段，此時纖維開始發(fā)生斷裂。最終，在第四階段，結(jié)構(gòu)完全斷開并出現(xiàn)鋸齒狀的斷口。彎曲損傷的斷裂纖維上殘留有一定數(shù)量的樹脂，這表明弱界面并不是彎曲損傷的主要原因。圖13(c)展示了3D打印連續(xù)碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料在彎曲載荷下的裂紋萌生和發(fā)展過程[95]。首先觀察到裂紋萌生于壓縮側(cè)的上表面，但這一裂紋可能是由于表面的應(yīng)力較高導(dǎo)致纖維被壓碎而形成的。隨后，裂紋在拉伸側(cè)的上表面產(chǎn)生，并繼續(xù)向中性軸擴(kuò)展。結(jié)果表明，彎曲應(yīng)力在 1.57% 應(yīng)變下突然下降。此時，拉伸側(cè)的纖維顯著斷裂，結(jié)構(gòu)不再能夠保持完整性。
彎曲開裂失效行為與列間孔隙[86, 92-95]和纖維束缺陷密切相關(guān)[96-97, 116-118]。圖14(a)中展示了基于FDM工藝的連續(xù)纖維3D打印復(fù)合材料中列間孔隙及其形成過程，其中藍(lán)色細(xì)線代表聚合物的分子鏈，黑色圓點(diǎn)代表碳纖維單絲的橫截面[86]。在重力和噴嘴壓力的共同作用下，材料長絲一邊被擠壓并沿著橫向流動，一邊冷卻，最終邊界接近圓角矩形。因此在列與列之間留下材料無法完全填充的孔隙。當(dāng)前擠出的一列長絲與之前沉積的一列發(fā)生接觸，接觸表面軟化，潤濕過程同時發(fā)生。兩列之間的聚合物的分子鏈在布朗運(yùn)動的作用下相互擴(kuò)散，直至材料冷卻凝固。由于在3D打印的過程時間短，高分子聚合物之間的擴(kuò)散和纏結(jié)并不充分，因此列間界面較弱。列間孔隙區(qū)域在受到彎曲載荷時產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，因此開裂失效后形成顯著的鋸齒狀斷口(圖13(b)、13(c))[92-95]。
圖14
如圖14(b)所示，連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印復(fù)合材料彎曲破壞后的斷口，也存在斷裂和被拔出的纖維，與3.1節(jié)中完全的纖維拔出失效不同，彎曲開裂斷口中被拔出的纖維往往殘留較多樹脂[115]。纖維束缺陷同樣也是彎曲開裂斷口存在部分纖維拔出的原因。如圖14(c)所示，彎曲載荷下縱向試樣的斷裂面顯示出兩個部分，即上壓縮區(qū)和下拉伸區(qū)。SEM圖像顯示，上壓縮區(qū)存在纖維壓縮破壞和基體斷裂，而下拉伸區(qū)存在纖維拉伸破壞、纖維拔出和基體斷裂[118]。
改善彎曲失效行為的主要方式有：進(jìn)行熱壓后處理[91]、調(diào)整打印參數(shù)設(shè)置[119-120]和采用變剛度結(jié)構(gòu)設(shè)計[121]等。連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印復(fù)合材料的失效行為、相關(guān)工藝缺陷、失效機(jī)制與改善方式匯總于表2中。
表2
3.4 失效建模方法
伴隨著連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印的工藝制造技術(shù)發(fā)展，對指導(dǎo)其結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析的失效建模方法的需求在也日漸增長。一開始，剛度體積平均法(Volume average stiffness，VAS) [122-124]被引入用于預(yù)測連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印的彈性性能。引入孔隙密度作為參量，在4.04vol%、8.08vol% 和 10.1vol% 的纖維體積分?jǐn)?shù)下模型結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對誤差為57.5%、6.2% 和 0.1%[122]。使用VAS方法對高纖維體積分?jǐn)?shù)(40vol%)的樣本也能進(jìn)行較好彈性性能預(yù)測，相對誤差為 3.2%[123]。VAS還被與改進(jìn)的混合律和經(jīng)典層合板理論進(jìn)行對比，VAS和經(jīng)典層合板理論可以有效預(yù)測連續(xù)纖維3D打印復(fù)合材料的力學(xué)性能，改進(jìn)的混合律精度較差，并且不能預(yù)測拉伸強(qiáng)度[124]。
在指定的打印溫度和速度下，針對連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印復(fù)合材料的剛度和強(qiáng)度性能進(jìn)行系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)表征，并基于數(shù)據(jù)擬合提出的可變纖維含量本構(gòu)模型具有良好的預(yù)測效果[125]。通過建立原子級的模型，打印溫度對連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印復(fù)合材料中界面的影響被納入考慮[126]。該模型表征了界面形成和失效過程，有助于確定最佳成型溫度。考慮了樹脂滲透、溫度變化和樹脂固化的理論和數(shù)值模型也被提出，并用于模擬熔融-沉積-冷卻的增材制造過程和力學(xué)性能[127]。通過對纖維束中的3D熱場和樹脂浸漬行為進(jìn)行數(shù)值模擬，一種工藝相關(guān)的多尺度力學(xué)模型被提出并用于預(yù)測續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印復(fù)合材料的力學(xué)性能[128]。一種考慮了纖維基體浸漬特性，包括纖維取向系數(shù)、物理間隙比以及浸漬和未浸漬纖維的體積的力學(xué)模型被提出。該模型對不同基體材料的連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彈性模量的理論預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果吻合較好，平均預(yù)測誤差分別為2.87%~4.29%和2.63%~8.36%[129]。另外，目前針對連續(xù)纖維3D打印復(fù)合材料的微觀纖維錯位[130]和結(jié)構(gòu)損傷與電阻變化[131]的有限元建模方法尚未得到發(fā)展，未來有很大發(fā)展?jié)摿Α?/span>
4. 總結(jié)與展望
4.1 總結(jié)
本文從制備工藝、工藝缺陷和失效力學(xué)行為等方面，對連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印的最新國內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。一方面，設(shè)計自由度高、無需模具和快速制造等優(yōu)點(diǎn)使得連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印成為了近年來最熱門的先進(jìn)復(fù)合材料成型技術(shù)之一。另一方面，工藝過程帶來的缺陷和復(fù)雜的失效行為又限制了該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。通過引入“干/濕/干濕-混合”的概念，本文較為詳細(xì)和系統(tǒng)地總結(jié)了連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的3D打印工藝。重點(diǎn)介紹了連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印復(fù)合材料由于工藝過程引入的缺陷及其特點(diǎn)。歸納了連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印復(fù)合材料的典型失效行為以及主要引發(fā)失效的原因。最后，指出通過減少工藝缺陷來改善失效模式和提升力學(xué)性能是重要的發(fā)展方向。
4.2 展望
連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印技術(shù)作為最具創(chuàng)新性的先進(jìn)復(fù)合材料成型工藝之一，具有設(shè)計自由度高、無需模具和快速制造等優(yōu)點(diǎn)，正在需要快速成型的工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)蓬勃發(fā)展。未來，減少工藝缺陷、改善失效模式和降本增效是該技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用的重要方向：
(1)智能工藝過程控制
隨著機(jī)械自動化與智能技術(shù)的發(fā)展，連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印設(shè)備的智能化已具備工業(yè)基礎(chǔ)。通過實(shí)時監(jiān)測、反饋并調(diào)節(jié)打印工藝過程，減少缺陷的產(chǎn)生，將成為未來發(fā)展方向。
(2)纖維束預(yù)浸
對連續(xù)纖維絲束進(jìn)行預(yù)浸可以有效提高纖維體積含量，減少打印過程中纖維束缺陷的產(chǎn)生。但是，受到當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展水平的限制，即使進(jìn)行了預(yù)浸，連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印復(fù)合材料的纖維體積含量仍然低于傳統(tǒng)工藝制備的復(fù)合材料。進(jìn)一步發(fā)展纖維束預(yù)浸技術(shù)和提高纖維體積含量有望使得連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印技術(shù)成為下一代主流的先進(jìn)裝備制造技術(shù)。
(3)多尺度精細(xì)失效建模方法
連續(xù)纖維3D打印工藝過程中產(chǎn)生的多樣化缺陷和導(dǎo)致的復(fù)雜失效行為使得沿用經(jīng)典的復(fù)合材料力學(xué)方法變得不夠精確。發(fā)展多尺度精細(xì)失效建模方法，考慮打印工藝過程、缺陷產(chǎn)生與表征和失效模式將為連續(xù)纖維3D打印復(fù)合材料的設(shè)計提供依據(jù)。
致謝：感謝田圓圓博士、章中森副研究員和龍昱博士在本文研究過程中提供的指導(dǎo)和幫助。
來源：《復(fù)合材料學(xué)報》 2024年第9期
張鑫, 鄭錫濤, 楊甜甜, 等. 連續(xù)纖維增強(qiáng)3D打印復(fù)合材料工藝缺陷及其失效行為研究進(jìn)展[J]. 復(fù)合材料學(xué)報, 2024, 41(9): 4478-4501. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240026.001
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